автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.01, диссертация на тему:Научные основы разработки методов прогноза параметров деформирования подрабатываемых скальных массивов мощных крутопадающих рудных месторождений

Л \ Э №г

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ, ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

на правах рукописи

Кандидат технических наук Кашншсов Юрий Александрович

УДК в22.вЗ

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ МЕТОДОВ ПРОГНОЗА ПАРАМЕТРОВ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ПОДРАБАТЫВАЕМЫХ СКАЛЬНЫХ МАССИВОВ МОЩНЫХ КРУТОПАДАПЦИХ РУДНЫХ МЕСТОРОХДЕШШ

Специальность 05.15.01. " Маркшейдерия " Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук МОСКВА - 1Э92

Работа выполнена в Пермском политехническом институте

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,профессор

КУЛИКОВ В.В. доктор технических наук,профессор

ИОФИС М.А. доктор технических наук,профессор ПО ЛОБОВ Б .Д.

Ведущая организация— Институт горного дела г. Екатеринбурга

на заседании специализированного совета д 053.20.01.

при Московском государственном открытом университете

по адресу: 129805, г.Москва, ул Павла Корчагина, 22

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного открытого университета

Автореферат разослан " /У" ноября 1992г.

Защита состоится

./л декабря 1992г. в

и

часов

Ученый секретарь специализированного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Высокие темпы развития горнодобывающих отраслей черной и цветной металлургии в значительной степени связаны с разработкой местороздений подземным способом.Однако понижение глубины очистных работ на действувдих рудниках привело к исключительному повышению актуальности проблем, связанных с механикой горных пород,в частности,с проблемой прогноза параметров деформирования подрабатываемых массивов.

Шестидесятилетний период инструментальных наблюдений за сдвижением горных пород в важнейших рудных районах СНГ и проведенные теоретические исследования позволили решить ряд вопросов, связанных с отработкой месторождений и охраной объектов. Однако полученные эмпирические зависимости пригодны в основном для узкой области практических задач,а аналитические решения ешв не вышли за рамки наиболее простых задач для очистных выработок в однородной среде. Кроме того, эти решения чаще всего основаны на одной из моделей сплошных сред. Однако в зоне влияния очистных работ происходит сложный, процесс перераспределения напряжений и развития сдвижений,который не может быть описан какой-либо одной теорией механики сплошных сред. Эти явления требуют комплексного изучения,включающего натурные зкспе рименты, аналитические метода, расчеты численными методами на современных ЭВМ. Отсутствие такого комплексного подхода, а также нераскрытое многих форм механизма процесса, невысокая надежность существующих методов предрасчета параметров дефэрмиро вания продолжают наносить значительный ущерб. В связи с этим данная диссертационная работа, посвященная решению крупной научной проблемы прогноза параметров сдвижения горных пород и земной поверхности при разработке мощных рудных месторождений имеет важное научное и практическое значение.

Целью работы является установление, геомеханическое описание и прогноз параметров деформирования горных пород и земной поверхности при подземной разработке мощных рудных тел для выбора и обоснования мер охраны подрабатываемых объектов.

Основная идея работы заключается в разработке и использовании для прогноза параметров сдвижения горных пород различных моделей деформирования породного массива в зависимости от его структуры, свойств и состояния.

В задачи исследований входило:

— выявить механизм деформирования горного массива и земной поверхности как вблизи отрабатываемых рудных тел и подрабатываемых бортов карьеров так и на значительном удалении от них;

— разработать модели развития трещин в подрабатываемых слоистых массивах;

— разработать конкретные модели для расчета сдвижений и деформаций подрабатываемого скального трещиноватого и слоистого массива' рудных месторождений;

— разработать общую схему и конкретные модели для расчета сдвигающихся скальных массивов месторовдений и их участков неслоистого типа;

— разработать эффективный метод управления деформированием подрабатываемого массива и земной поверхности при подработке сооружений и объектов, расположенных в непосредственной близости от подрабатываемых бортов карьеров.

Методы исследований. Работа выполнена на основе решения аналитических и численных задач механики скальных пород, проведения многочисленных инструментальных наблюдений за сдвижением земной поверхности и горного массива в т.ч.с помощью глубинных реперов, обобщения и статистической обработки их результатов,промышленных испытаний рекомендованных мероприятий, их экономической оценки.

Основные защищаемые научные положения. I. Сдвижение земной поверхности на месторождениях неслоистого типа происходит в виде образования трещины вертикального отрыва под влиянием растягивающих напряжений и последующего сдвига заколовшегося участка по поверхности скольжения в выработанное пространство. Массив за трещиной и поверхность» скольжения дефор мируется как упругое тело.Процесс сдвижения интенсивно трещиноватых и расслвнцованных пород происходит в форме развития трещин и расслоений мевду слоями под влиянием горизонтальных напряжений образования магистральных трещин и возникновения приуроченных к ним поверхностей сдвижения. В этих условиях в горном массиве и

на поверхности возникают Есе известные зоны: трещин, опасных деформаций и неопасных плавных сдвижений, соответствующие деформированию пород в запредельной, пластичной и упругой стадиях.

2. Развитие одиночных микротрещин в подрабатываемых породах приводит к локальным периодическим смещениям пород в сторону нетронутого очистными работами массива. Смещения массива е начале подвигания микротрещин больше окончательных смещений, характеризующих их равновесие. В подрабатываемом слоистом массиве устойчивый или неустойчивый рост трещин мевду слоями определяет возникновение соответственно статического или динамического характера деформирования слоистых обнажений элементов открытых и подземных горных разработок. Характер деформирования определяется выявленными соотношениями поля напряжений, рвзмера первичной трещины между слоями, толщины отслоения, удельной работы разруше ния межслоевого материала, упругих постоянных слоя.

3. Направление и величины векторов сдвижений в значительной степени определяются дилатансиэй пород, обусловленной их сдвигом по системам трещин. Прогноз смещений подрабатываемых слоистых и трещиноватых скальных пород достигается на основе численной реализации вязнопласгической модели среды с далатан-сией, учитывающей особенности сдвига пород по системам трещин, напряженное состояние массива и его структурные особенности.

4. Сдвижение подрабатываемых массивов неслоистого строения с достаточным для практических целей приближением описывается в рамках жесткопластической и упругой моделей сплошной среды. Использование этих моделей приводит к следующим результатам:

— заполнение выработанного пространства обрушенными пустыми породами увеличивает на 10-15% величины возникающих призм сдвижения трещиноватого массива пород висячего бока рудных месторождений лишь при весьма крутых и вертикальных углах падения рудного тела и не исключает возникновение вертикальных трещин на земной поверхности;

— величина отношения размеров выработки по простиранию к глубине горных работ (Ь/Н), характеризущая условие полной подработки определяется прочностными свойствами массива. Установленные зависимости отношения Ь/Н от сцепления и угла внутреннего трения пород позволяют определить количественные критерии условия

полной подработки.

5. При создании в прибортовом подрабатываемом массиве е зоне растягивающих напряжений вертикальной глубокой щели ликвидируется возникновение трещины вертикального отрыва и процесс сдвижения в форме сдвига реализуется на щель. Принятие решения по использованию щели для охраны объектов, определение ее необходимой глубины и места расположения достигается посредством решения задачи динамического программирования на основе отыскания минимума функционала предельного равновесия. Научная новизна работы.

1.Показано, что деформирование слоистых пород при их подработке сопрововдается устойчивым р неустойчивым ростом трещин менаду слоями. Получены основные уравнения,описывающие развитие трещин в этих ситуациях и получены новые научные результаты:

— устойчивый рост трещин определяет статический характер деформирования слоистых породных обнажений, неустойчивый рост трещин мекду слоями ведет к их динамическому деформированию;

— кинетическая энергия слоя, динамически теряющего устойчивость определяется его длиной, толщиной, плотностью, величиной и скоростью подвигания первичной трещины.

2. Установлено наличие интенсивных деформаций растяжения горных пород сразу после массовых взрывов и последующее возникновение деформаций сжатия, что обусловлено развитием микротрещин. Теоретически установлено, что смещения массива в начале подвигания микротрещин больше окончательных смещений, характеризующих их равновесие.

3. Разработаны основополагающие принципы учета дилатансии скального трещиноватого подрабатываемого массива для целей прогноза сдвижений горных пород при разработке рудных месторождений. На их основе разработана аналитическая модель деформирования скального массива, разработан алгортм и выполнена ее реализация в методе конечных элементов (МКЭ). Просчеты конкретных примеров привели к следующим научным результатам:

— наибольшие вектора смещений пород возникают при угле наклона систем трещин к горизонту 45 град.;

— с уменьшением интенсивности трещиноватости и величины касательных смещений по поверхности трещины, характеризующих начало

запредельной стадии деформирования, углы наклона Еекторов смещений становятся более пологими;

4. Разработана аналитическая модель расчета параметров призм сдвижения трещиноЕатого массива пород висячего бока рудных месторождений с учетам активного давления обрушенных пород. Ее анализ привел к выводу о том, что активное давление обрушенных пород увеличивает на 10-1555 линейные размеры призм сдвижения.

5. Решена задача по определению в объемной постановке размеров сдвигающихся монолитными блоками участков скальных пород месторождений неслоистого типа. Установлены количественные значения сцепления и угла внутреннего трения пород, при которых сдвигающиеся участки приобретают вытянутую по глубине форму.

6. Установлено, что охрана сооружений, расположенных в непосредственной близости от подрабатываемых бортов карьеров должна осуществляться путем оставления предохранительных целиков.построенных на основе нахождения поверхности скольжения с коэффициентом запаса устойчивости, гарантируицим сохранность сооружений.

?. Установлено, что засыпка карьера породой не исключает возникновение на земной поверхности зоны растягивающих напряжений и трещин отрыЕВ вдали от кромки карьера, которые могут нарушить нормальную эксплуатацию расположенных в районе возникающих трещин сооружений.

8. Разработан и научно обоснован способ управления деформированием подрабатываемых пород при помощи глубокой вертикальной щели Личный вклад автора.

— основная идея работы, постановка всех задач исследований и разработка методологии и методик их решения;

— организация,производство и анализ инструментальных наблюдений за сдвижением пород и земной поверхности на семи крупных полиметаллических и железорудных местороздениях Казахстана и Сибири;

— аналитическое описание развития трещин в подрабатываемых массивах, установление статического и динамического характера деформирования слоистых обнажений элементов открытых и подземных горных разработок;

— обоснование принципов и способов учета дилатансш скальных трещиноватых пород при анализе процессов их сдвижения;

— разработка аналитической модели деформирования скальных по-

род, построение алгоритма еэ реализации е МКЭ, разработка рабочей программы на языке Г0НТНМ-77 .просчет отдельных горнотехнических ситуаций;

— аналитическое описание модели расчета параметров призм сдеикения трещиноватого массива пород Еисячего бока, разработка программы, просчет конкретных примеров;

— постановка задачи по определению параметров полной подработки и разработка алгоритма ее решения;

— разработка принципов охраны сооружений, расположенных вблизи подрабатываемых бортов карьеров;

— разработка идеи и метода управления деформированием подрабатываемого массива при помощи вертикальной глубокой щели.

Практическая ценность работы заключается в разработке методов (механико-математических моделей, расчетных схем и алгоритмов их реализации на ЭВМ) решения геомеханических задач, связанных с исследованием и прогнозом характера и параметров процесса сдеи-жения скальных массивов рудных месторождений и охраной на них объектов от подработки; обосновании шедренных в промышленность рекомендаций по повышению эффективности разработки путем добычи руды из предохранительных целиков. Предложенный способ управления деформированием подрабатываемого массива открывает новые практические возможности при решении задач охраны объектов от подработки и извлечения запасов полезных ископаемых из предохранительных целиков.

Реализация работы. Установленные и предрасчитанные параметры процесс! сдвижения и рекомендации по охране подрабатываемых объектов и извлечению части запасов руд из предохранительных целиков использованы при проектировании и внедрены на ряде предприятий (Лениногорский полиметаллический комбинат, Зыряновский свинцовый комбинат). Результаты исследований вошли в проекты Правил охраны сооружений и объектов от подработки для рудников ЗСК (ПермПМ) и общих Правил охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных разработок месторождений руд цветных металлов (ВНИМИ).

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих совещаниях конференциях и конгрессах: Всесоюзном научно-техническом совевд-

нии"Каучно-технически9 проблемы повышения эффективности работ и совершенствования маркшейдерской службы на горных предприятиях страны"(Екатеринбург,I9S4),Первом всесоюзном семинаре по разрабо тке месторовдений в условиях высокогорья(Бишкек,1987).VII Международном конгрессе по маркшейдерскому делу(Санкт-Петербург,1988) ,1Х Всесоюзной конференции по механике горных пород (Бишкек, 1Э8Э) ,Х11 Всесоюзном семинаре по исследованию горного давления и охране капитальных и подготовительных выработок (Алма-Ата,I99Q), научно-технических совещанйях учебных и научно-исследовательских институтов (ПермПИ ,МГРЙ,ВНИШ,УНИПРОМЕДЬ .ВНИИЦВЕТмет, ИРГИРЕДОЕТ), технических советах лениногорского полиметаллического и Зырянов,-ского сеинцового комбинатов,на кафедре и в институте маркшейдерского дела, сдвижения горных пород и горной геофизики Рейн-Вестфальской высщей технической школы (RWTH) г.Аахена( е ходе прохождения десятимесячной научной стажировки в ФРГ в 1Э88-87г.г Научн.руков.проф.А.Ленгеманн) ,на кафедре и в институте оснований и фундаментов, механики грунтов, механики скальных пород RViTiF г.Аахена ( в ходе прохождения научной стажировки в 1Э91-Э2г.г. Научн.руков. проф. В.Виттке)

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 26 работах, включающих 4 авторских свидетельства. Всего по теме диссертации опубликовано 47 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, изложена на 309 страницах машинописного текста, включая 81 рисунок, 13 таблиц и библиогр,зфический список из 231 наименования.

Работа выполнена на кафедре Маркшейдерское дело Пермского политехнического института(ПермПИ) по результатам шести хоздоговорных научно-исследовательских работ, в которых автор был научным руководителем. В ней обобщены также исследования,выполнение автором в лаборатории сдвигания горных пород Восточного научно-исследовательского горнорудного института(ВостНИГРИ) в период с 1975 по I9S3 годы. Б выполнении работы в разные периода участвовали сотрудники и студенты кафедры. Всем им автор выражает искреннюю благодарность. Автор выражает исключительную признательность проф.В.Виттке за любезно предоставленную возможность просчитать по его программе "PEST 03" важную для целей прогноза

сдвижений задачу. Результаты расчетов и последующее их обсуждение с проф. В.Виттке прояснили немало сомнительных для автора диссертации моментов.

Автор весьма благодарен канд.техн.наук.с.н.с.ВНИМИ Петухову И.А.за постоянное внимание к работе и высокопрофессиональное консультирование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I. Состояние изученности проблемы.

Глзеной общей особенностью структуры скальных пород, которыми представлена основная масса рудных месторождений, является преимущественное наличие трещин и расслоений в сравнении с другими дефектами.Поэтому вполне естественным представляется то обстоятельство, что деформирование скальных пород происходит в виде развития уже имеющихся дефектов.образования магистральных трещин, сдвига пород по имеющимся выдержанным системам трещин, деления их на блоки.Совокупность этих сложных явлений и представляет по сути мехамизм процесса сдвижения горных пород.Бесконечное разнообразие форм и параметров этого процесса требует и весьма разнообразных подходов к его описанию.

Значительная часть методических подходов к описанию деформирования массивов при разработке рудных месторождений основывается на широко известных теоретических работах ученых - представителей науки о сдвижении горных пород на угольных месторождениях: Авершина С.Г.,Кратча Г.,3ешсева В.Н.и др.Отмечая весьма большое значение этих работ как в теоретическом, так и в практическом аспекте,еледует отметить,что они разработаны для изотропных сред и идеализированных выработок.Среди зарубежных исследователей -теоретиков науки о сдвижении горных пород на рудных месторождениях следует отметить польских ученых .а также ученых из ЮАР: М.Д.Г.Саламона и его учеников.Упругая изотропная и трансверсаль-но-изотропная модели М.Д.Г.Саламона являются.по-видимому,наиболее разработанной из теоретических моделей для пологопадающих рудных месторождений. Для крутопадающих месторождений упругая изотропная модель,учитывающая анизотропию исходного поля напряжений,разработана Сашуриным А.Д.

Существуют и успешно развиваются эмпирические и полуэмпири-

ческие метода прогноза параметров сдвижения для рудных месторождений, имеющие хорошее практическое приложение.Это работы сотрудников ВНИМИ,УНШРСЮДЬ,ВИОГЕМ: Акимова А.Г. .Зеленцова С.Н.,Кузнецовой Е.И.,Крушатина Р.Ф.,Шадрина А.Г. и др. В результате проведенных ими исследований решен ряд важных вопросов:разработаны нормативные документы по охране объектов от подработки для многих рудных месторождений страны. Однако недостаточная теоретическая обоснованность этих работ не позволяет выявить механику процесса.

Механизм развития деформаций горных пород сеязэн, презде всего, с их структурой. Неслучайно все нормативные документы ВНИМИ делят месторождение на два типа: со слоистым и неслоистым строением вмещающих пород. Характер сдеижения пород существенно отличается на этих двух типах месторождений, что отражено во всех нормативных документах ВНИМИ. В случае слоистого строения исключительное значение имеет начальная стадия процесса сдвижения, характеризующаяся развитием микротрещин и расслоений. Этот вопрос требует отдельного рассмотрения. При наличии активной системы трещин или слоев расчеты возникающих призм сдвижения имеются в работах Акимова А.Г., Смирнова А.Ф., Черного И.И., Юнакова Ю.Л. и некоторых других авторов. Наиболее подробный учет действующих сил, представлен в работах Бради и Брауна. Однако неиследованнш является вопрос о влиянии активного давления обрушенных пород на параметры призм сдвижения пород висячего блока. В условиях неслоистого строения пород особую актуальность приобретает расчет сдвигающихся монолитными блоками пород.

Сложность процесса сдвижения и бесконечное разнообразие горно-геологических условий отработки не позволяют эффективно использовать аналитические методы и заставляют обращаться к численным методам. Весьма эффективным численным методом механики скальных пород является метод конечных элементов (МКЭ), позволяющий учитывать неоднородность среды. Применительно к расчету сдвижений подрабатываемых пород МКЭ известны работы Г.Кратча, Л.Мюллера, В. И.Ворщ-Компонийца, Д.М.Казикаева и других авторов. Однако подавляющая часть работ учитывает в основном крупномасштабные структуры. Для подробного расчета сдвижений

пород с учетом слоистости и макротрещиноватостк требуются специальные численные модели механики скальных пород. Весьма перспективными для расчета скальных порд являются модели В.Г. Зотеева, Р. Гудмана, 0.Зенкевича, В.Виттке. На основе однородной модели В.Вятткэ рассчитываются деформации Еокруг тоннелей, в откосах, в основаниях гидротехнических сооружений. Вследствии универсальности и простоты данной модели ее основные идеи могут быть успешно применены и для расчета сдвижений подрабатываемых скальных пород при разработке рудных месторождений.

П.Инстументальные наблюдения за сдвижением горных пород и земной поверхности.

Следует константировать, что при инструментальном изучении механических процессов, происходящих в породных массивах, в основном исследуются возникающие деформации и напряжения. Поскольку инструментальной основой науки о сдвижёнии горных порд являются, прежде всего, измерение деформаций, т.к. они более информативны для для оценки проявления механических процессов, то естественно, что основное внимание было обращено на исследование и прогноз деформационных характеристик процесса.

Исследования процесов сдвижения горных пород проводились автором в период с 1975 по 1Э83 г. включительно на трех крупнейших месторождениях Сибири: Таштагольском, Шерегешском, Абаканском и в период с 19ВЗг. по настоящее время на четырех крупнейших полиметаллических месторождениях Казахстана: Ридцер--Сокольном,Тишинском Зыряновском и Греховском. Все месторождения представлены мощными крутопадаищши рудными телами, залегающими в скальных породах. Первоначально все месторовдения отрабатывались карьерами. Отработка всех исследуемых месторождений и их участков ведется системами с обрушением вмещающих пород. Исключение составляет Тишинское месторождение, отрабатываемое системами с твердеющей закладкой,однако мощные вытянутые зоны разрыхленных, не поддающихся закладке пород южного контакта рудного тела создают эффект отработки месторовдения с обрушением.

Выполненный анализ инструментальных наблюдений подтвердил

правильность подхода к анализу проблемы исследователей БНИШ, разделивших месторождения по характеру проявления процессов сдвижения на два типа: месторождения со слоистым и неслоистым строением вмещающих пород. Однако подробность выполненных наблюдений позволила значительно прояснить рассматриваемую проблему. На участках месторождений с неслоистым строением пород зона плавных сдвижений практически отсутствует. Граничные углы, углы сдвижения и углы разрывов практически равны. Процесс сдвижения поверхности начинается с формирования трещины вертикального отрыЕа, возникающей под влиянием растягивающих напряжений. Массив 38 трещиной деформируется как упругое тело, о чем свидетельствует весьма слабое развитие деформаций в зоне плавных сдвижений, появление сжатий интервалов, поднятие реперов, особенно значительные вблизи трещины отрыва, которые объясняются разгрузкой пород от больших касательных напряжений после срыва заколовшегося участка. Такой характер

деформирования можно описывать соответствующими уравнениями кесткопластической модели. Прогноз параметров сдвижения на таких участках целесообразно ограничивать прогнозом и определением объемов сдвигающихся пород либо по криволинейным, либо по прямолинейным (в зависимости от структуры массива) поверхностям скольжения.

Сдвижению поверхности и массива на участках и месторождениях слоистого или сильно трещиноватого типа присущи все стадии деформирования пород. Это упругая стадия и участки упругого деформирования, где инструментальными наблюдениями зафиксированы поднятия реперов и их. смещения в сторону нетронутого массива. Эта стадия характеризуется началом развития шкротрещины и расслоений, началом сдвига по системам трещин. Пластическая стадия и участки пластического деформирования характеризуются штенсчЕным подвиганиам микро и макротрещин, интенсивным сдвигом пород по системам трещин. И, наконец, можно выделить стадию и участки деформирования пород в запредельной стадии.Здесь характерно разрушение пород на блоки и их перемещение в выработанное пространство.

Довольно часто трудно выделить тип сдвижения нв тех или иных участках месторождений в силу сложности строения пород. Даже в

случае подработки сильно трещиноватых, перемятых слоистых пород наблюдаются концентрированные горизонтальные деформации растяжения приуроченные к развитии магистральных трещин отрыва и последующим сдвиговым явлением по криволинейным (чаще всего) поверхностям сдвижения. Во времени процесс деформирования происходит крайне неравномерно. Учащенные замеры по глубинным реперам на гор.-70м Таштагольского и по реперам в квершлагах Тишинского рудников свидетельствуют о том, что в определенные промежутки времени скоро.сть деформирования в сторону отработки замедляется и наблюдается его смещение в противоположную выработанному пространству сторону. При этом пикоше значения положительных скоростей смещений соответствуют массовым взрывам. Сразу после взрыва наблюдается непродолжительная, но резкая активизация смещений в сторону выработанного пространства, обусловленная некоторой потерей массива упругих свойств. После такой непродолжительной активизации сдвижений наблюдается стабилизация напряженного состояния и деформирование пород начинает происходить под влиянием исходного поля напряжения. В этот период и возможно появление обратных сдвижений На этот вывод указывает тот факт, что подавляющее большинство случаев появления отрицательных смещений наблюдается при значительных (2-3 мае.) промежутках времени мевду массозыми взрывами.

Весьма актуальной проблемой для Ридцер-Сокольного,Тишинского, Зыряновского и ряда других рудных месторождений страны является проблема охраны сооружений, расположенных вблизи подрабатываемых погашенных бортоЕ карьерой. Инструментальными наблюдениями установлено, что процесс сдвижения в этих горно-технических ситуациях происходит исключительна в форме сдвига подрабатываемого борга по поверхности скольжения, обусловленной структурой пород. Значения углов сдвижения, рекомендуемые для охраны объектов при отработке глубоких горизонтов становятся весьма пологими (40,- 45° ) и, в принципе, в данной ситуации сомнительно ипользовать для охраны об-ьектоЕ традиционные понятия угловых параметров сдвижения.

III.Развитие трещин и расслоений в подрабатываемых массивах.

В результате инструментальных наблюдений было установлено,

что деформирование массива и поверхности часто происходит с наличием всех известных зон: зоны обрушения и трещин, зоны опасных деформация и зоны неопасных плавных сдвижений- Последняя зона и частично вторая зона в значительной степени характеризуют начальную стадию процесса сдвижения. Если в развитой и заключительной стадии наблюдается сдвиг и обрушение пород с последующим затуханием, то начальная стадия представляет преимущественно раскрытие и продвижение трещин и расслоений.

Осноешми признаками, характеризугацими появление и последовательное развитие трещин нормального отрыва в окрестности отрабатываемого рудного тела следует считать преимущественное развитие горизонтальных сдвижений в сравнение с вертикальными, что зафиксировано инструментальными наблюдениями как на поверхности, так и в массиве. При появлении магистральной трещины наблюдаются смещения пород в сторону нетронутого массива, особенно значительные Еблизя устья трещины. Зафиксированы многочисленные случаи, когда два соседних репера смещаются в противоположные стороны, что свидетельствует о возникновении на данном интервале трещины. Магистральные трещины могут зарождаться в глубине массива и еыходить в выработанное пространство или зарождаться на контуре отработки и распространяться в массив. Участок пород, оконтуренный магистральной трещиной при достижении ей определенной длины начинает сдвигаться в выработанное пространство, т.е. начальная стадия переходит в развитую.

Вопросам развития трещин в горных породах посвящено очень много работ. Известны исследования Г.П.Черепанова, Е.М.Шемякина, Р.Л.Салганика, Е.Хоека, ЗД.Бенявского и др. Большинство исследователей связывают продвижение мккротрещины в направлении наибольшего сжатия с возникновением растягиваодих напряжений в ее вершине. Используя силовой критерий Ирвина автор работы установил в результате итерационных расчетов, что рост микротрещины в виде эллипса с наличием пластических зон в ее вершине происходит все более устойчиво даже при росте отношения максимального сжимающего напряжения к минимальному. Т.е.при подработке массива возможен лишь незначительный рост микротрещин, линейные размеры которых соизмеримы с долями миллиметров. Тем не

менее иттегральные эффекты, вызванные ростом микротрещин могут приводить к заметному росту смещений горного массива. Смещения берегов микротрещины при ее пропитании и в условиях предельного равновесия автором получэны в виде:

1--У2 ,-

7»,о)- гчгР.й(1,Ь,{,х) -2о^-е—./П-х).(х-Ь) , (1)

где Я(1,Ь,£„х) - функция влияния;

"Л -

Р=/ое«/с^'Соа2т1-Ъ'а1пгт) йц ; о

Е,р - упругие постоянные; т| - координата алипса (О^г^чс), ст0 -тангенцальше напряжения на контуре эллипса;а,в-полуоси эллипса; ад-минимальное главное напряжение; параметры, характери-

зующие расчетную схему.

Результата расчетов по ф. (I) свидетельствуют о том, что смещения в начале подвигания микро трещины (на первом шаге итерации) больше смещений, характеризующих равновесие (на последнем шаге итерации). Этим расчетом удалось объяснить наблюдаемое по маркшейдерским замерам .длин линий между реперами явление растяжения интервалов после отбойки руда, а потом их некоторое сжатие.

В условиях ограниченного развития микротрещин и пор и наличия макротрещин, крупных дефектов, слоистости и

сланцеватости деформирования пород происходит по данным структурным особенностям. При этом деформирование вблизи свободной поверхности (откосы, борга карьеров, почвы поземных выработок и пр.) имеет иной характер, чем деформирование пород в глубине массива. Здесь в наибольией степени проявляются такие эффекты, как развитие первичных трещин, потеря устойчивости отдельных участков массива, стреляния, микроудары и т.д.

При рассмотрении механизма деформирования автор использовал энергетический критерий развития трещин между слоями и последующую Эйлерову потерю устойчивости отслоившихся слоев с учетом их кинетической энергии. Согласно внергетическому критерию смена упругих состояний системы с подвиганием первичной трещины возможна в том случае, если разность упругих энергий

системы в этих состояниях и^—достаточна для совершения работы разрушения К.

Рис.1. Принципиальная схема к постановке задачи о развитии трещин и деформировании подрабатываемых слоистых обнажений (на примере , слоистой почвы подземной выработки).

ЖШ1Ш:

Пусть массив сложен слоистыми породами с толщиной слоя а. Между слоями имеются первичные трещины длиной 1. При росте сжимающих напряжений возможен рост трещины на" величину а с каждого края и прогиб пород размером 1+2а в выработанное пространство. Будем полагать, что в процессе подвигания трещины и эйлеровой потери устойчивости слои пород смещаются по закону и=и0- з1пг(гас(1+2а)~1). Для этих условий значения упругих энергий можно представить в виде:

1Ы).5а2-й- (1+2а) • (1 -V2)-Т1.;

(1+2а)• (,\-иг) -Е-'. (энергия сжатия);

и.| = о0(1 -V2) • (а~а0) •(!• (1+2а) «Е-1 (энергия изгиба

выпученного слоя). Значение кинетической энергии динамически разламывающегося слоя при представлении скорости волн Релея в виде с=й"с2 равняется : К^.г^-й-а2- (1-г>) • (а-о0)-1С3• (1+2а)-1.

Составляя баланс энергий,получим уравнение для определения напряжения, необходимого для подвигания трещины:

, _ 1,2кг*2агЕ(о-о ) 4уаЕ а2- 2аа -кГ--=--2---г- = 0. (2)

Напряжение, удовлетворяющее этому уравнению:

1Т

ч^Ес? 1,2к2агЕ

а =-=-+

3(1-1?) (ига)2 (г+2о)2(1+^)г3

1 ,2гк*а4]? 470В

г/2

(3)

В этик формулах £,г>-уцругие постоянные вдоль слоя,7-удельная работа разрушения,а0-напрякение после потери устойчивости.

Для устойчивого роста трещины необходимо вшолнение соотношения да/да>0. В закритической области трещина распространяется лавинообразно и область неустойчивых состояний характеризуется неравенством да/дасО. Т. о .исследуя знаки производных ищутся участки устойчивого и неустойчивого роста трещин при расслоении. На Рис.2 представлен вид уравнения 3 при различных входящих параметрах. Для кривой I всюду да/д<х>0,т.е.сразу наблюдается потеря устойчивости в форме выпучивания.Для кривых 2 и 3 характерен в начале устойчивый рост трещин между слоями,затем их лавинообразный рост и динамический разлом слоев и в последующем опять устойчивый рост трещин.

В случае.когда кинетическая энергия равна нулю,имеем:

о=тс2£а23~'(1-т2)*1(г+2а)"2н-| 47аЕ(1+2аГ,(1-1/2Г,сГт | (4)

Это уравнение характеризует медленную статическую потерю устойчивости подрабатываемых обнажений горных пород.

На основе полученных уравнений в работе подробно проанализировано статическое и динамическое деформирование слоистых пород вблизи откосов и подземных выработок. Установлено, что механика уравнений2 и 3 позволяет приближенно описывать не только динамические разломы породных обнажений в Еиде толчков и микроударов, но и етреляниепород.Согласно кривой 3 рис.2 трещина длиной 0.15м образовавшаяся на удалении 0.008м от контура выработки при достижении а0=93.3Ша неустойчиво разовьется на 0.028м и затем устойчива до 0.2м. При этом максимальная скорость выпучивания составит 3.3 м/сек, которую можно считать приблизительно равной

скорости отлета пластины горной породы.

Рис.2. Различный характер развития ® трещин между слоями и потери устойчивости слове.

1 - Е=500МПа; <1=0.05м; 1 =2м; г»=0.25; 7=0.0005?ЯЗа м; 2 - Е=5000Ш1а; й= 0.12м;1=2м;г>=0.25; 7=0.СЮ05МПа-м; 3 - Е=90СКЖГ1а; <2=0.008м; 1=0.15м; и=0.25; 7=0.0005Ша м. .

»«¿а/г

IV. Расчет сдвижений скальных пород на основе модели среда с дилатансией.

Явление дилатансии-одно из фундаментальных свойств горных пород, на которое неоднократно указывали академики Е.И.Шемякин и И.Т. Айтматов. Дилзтансия скальных пород связана, прежде всего,со сдвигом пород по протяженным системам трещин.

В процессе сдвига порода по поверхности ослабления под влиянием касательных тг и нормальных стп напряжений возникают нормальные б^ и касательные 5з к поверхности сдвига смещения. Угол I, под которым происходит сдвиг пород называют углом дилатансии. При ап=0 угол дилатансии равен со, в случае чистого среза 4=0'.

В восьмидесятых годах В.Лейхшггцек.П.И.Ербзном (ФРГ) и А.Б.Фадеевым (СССР) были получены зависимости, связывающие нормальные л касательные смещения на поверхности трещины с углом дилатансии и действующими напряжениями (рис.3). Эти уравнения достаточно универсальны и их можно с успехом использовать в практических расчетах для прогноза возникающих сдвижений по системам трещин как в допредельной, так и в запредельной стадиях. При этом действующе в массиве напряжения можно найти любым из известных способов. На основе этих, уравнений автором были рассмотрены две простые схемы деформирования подрабатываемого массива в допредельной стадии:смещения изотропного массива по круглоцилин-

дрическим поверхностям и решения массива, имеющего активную систему трещин.Рассмотренные в работе примеры показывают, что с помощью простых моделей среды с дилатансией можно получить отвечающие ¡фактике величины сдвижений и объяснить отдельные проявления процесса деформирования.

Анализ численных моделей, используемых в механике скальных пород показал, что наиболее приемлемой для целей прогноза смещений подрабатываемого массива является однородная модель В.Виттке (ФРГ). Лабораторные эксперименты В.Лейхнитца и П.И.Ер-бана позволяют существенна расширить возможности методических подходов,заложенных б данной модели.

Рис.3. Принципиальная схема к оценка связи нормальных и касательных смещений на поверхности протяженной трещины с действующими напряжения-

«И. 61

«г................

При создании аналитической части модели и последующей ее численной реализации автором использовались методические подходы, предложенные О.Зенкевичем, В.Виттке, П.И.Ербаном и др.

Согласна б там авторам, в трещиноватой среде смещения дп и йв зависимы от времени. Скорости вязкопластических смещений определяются на основе известного уравнения :

{ 6"* }

1 Р

в

I Та! >

, при Р < О

При Рд > О

(5).

где Рд и Рд* - критерии разрушения в плоскости слоистости; т}т -вязкость материала, заполнящего поверхность раздела; <Э3 -пластический потенциал, совпадающий с Р0.

При использовании критерия разрушения Дкагера входящие в уравнение(5) величины были получены в следующем виде. . В интервале- О € Здр « в

Р гъ1р , г

. г 2С р в"р £ 1

?з.х - V { + Ы е1Р(-ь <УЗ) [ ~ - ]

31--1

В интервале вр< Од< О

-*»в-в ) * е " *

3 тт Г о 1

= ехр|- ^[-*са3-аря (Т)

Гт--1-

п

В этих формулах:- касательное смещение, соответствующее переходу процесса деформирования из допредельной в запредедьнуп стадию; Сщ - сцепление скального массива; фг,с^г,ф* - углы внутреннего трения соответственно по поверхности трвщяны, массива и разрушенного массива; Ь = + ф^ 3 ;

ж - параметр разупрочнения.

Реализация данной модели скального 'массива была выполнена ЫКЭ.

Вначале расчитываются напряжения ^ в каздом элементе

{О1=[°1([В1{01-{£"Р-е}], (3)

где [ Бв] - матрица упругих постоянных; [ Вв] - матрица функций Формыв®| - вектор смещений в элементе; | вектор вязко

пластических деформаций в элементе.

Из напряжений (о6"} расчитываются нормальные и касательные напряжения на поверхности трещины, а по ним критерии обрушения и пластические потенциалы. Полученные из ур.(5)скорости смещений умножаются на приращение времени It и получаются приращения смещений tiSup},которые суммируются в общий вектор смещений для рассматриваемой системы трещин. В дальнейшем по {Д6ир} определяется величина приращений деформаций ihsvp'B} в общей системе координат, которая суммируется в Еектор вязкошгастических деформаций элемента {еир"£ь На основе этого вектора расчитываются узловые силы:

| yup.ej _ | £ BeJTJ | dv_ (9)

Vе

Силы | Fvp'ej отдельного элемента суммируются в_общий вектор jpup системы. Этот вектор складывается с вектором j F характеризую-' щим Есе силы в системе и решается уже система урашвний Еида

[к] |sj = |pj + | (10)

В результате решения зтой системы получаются смещения у лов | б } , в которых учитываются вязко пластические деформации.Матрица жесткости ^ К jscefl системы при этом неизменна Изложенная численная модель Сила реализована в программе "РЕСЗ'на языке "Г0ЯИШ1-77 "как для ГОШ фирмы IBM так и для машин серии ЕС.По программе "PELS" была просчитана тестовая задача а также отдельные модельные схемы: откос с различными системами трещин.

Предложенная модель позволяет с успехом рассчитывать смещения подрабатываемых скальных трещиноватых массивов рудных месторождений. По программе "PELS" были просчитаны смещения реперов на гор.+505м.Абаканского месторождения, на гор.-120м. СвЕеро-Квра-башского месторождения.(Рис.4.) Основная сложность сравнения измеренных и рассчитанных смещений заключается в том, что

инструментальные наблюдения фиксируют некоторую промежуточную стадию процесса сдвижения, порой далекую от выхода на участок стабилизации. Другая сложность заключается в выделении этапов горных работ, вызвавших зафиксированные инструментально сдвижения. Кроме того, ограниченность профильных линий позволяет получать лишь относительные величины сдвижений. В целом, рассчитанные смещения не противоречат общей картине замеренных га определенные периоды сдвижений.

Б ходе выполнения программы научной стажировки в 1ЭЭ1-92г.г. под руководством проф. В.Виттке по программе"FEST 03", позволяющей получать вязкопластические решения, была просчитана распространенная ситуация: первоначальная добыча руды карьером и последующая подземная разработка. Результаты расчетов позволили сделать следующие еыеоды:

- расчет сдвижений на основе численных методов следует выполнять в несколько этапов, характеризующих этапы разработки месторождения. Для получения смеккний, характеризующих очередной этап следует найти разницу смещений последнего состояния и состояния, характеризующего все предыдущие этапы;

- засыпка карьера породой не исключает возникновение Еблизи поверхности зоны растягивающих напряжений и трещин вертикального отрыва. Она может способствовать росту оседаний пород.

В целом расчеты подтвердила высокую эффективность применения теоретических основ и самой программной системы "FEST 03" для целей прогноза сдвижений пород при разработке месторождений.

Н-200».

^rni ■ -

Системы rfieutuy

Рис.4. Вязкопластические смещения массива пород Северо-Кара-башского месторождения, ¿^-зафиксированные за 25мес.оседания, -рассчитанные осецакия. р 23

V. Предельное равновесие подрабатываемых массивов.

Выполнение автором инструментальные'наблюдения, анализ наблюдений других исследователей свидетельствуют о том, что многочисленные случаи деформирования подрабатываемых скальных пород с достаточной для практики точностью можно описать в рамках жест-копластической модели сплошной среды, т.е. уравнениями предельного равновесия. Применительно к решению практических задач механики горных пород основные методические подхода решения задач горного дела с позиций теории предельного равновесия были разработаны проф. Г.Л.Фисенко,Д.М.Казикаевым,И.И.Поповым.В.Н.Поповым ,Ю.И.Туринцевым,И.В.Баклашовым,Э.Л.Галустьяном и др.

Использование уравнений предельного равновесия для описания закономерностей деформирования скальных пород рудных месторождений, особенно неслоистого типа, может быть связано,прежде ьсего, с определением формы и размеров сдвигающихся подработанных участков.Определив эти параметры при Еедении очистных работ до определенного горизонта, можно с уверенностью сделать выеод о возможности подработки объекта, т.к. чаще всего в условиях разработки месторождений неслоистого типа массив за сформировавшейся поверхностью скольжения испытывает упругие смещения, неопасные для сооружений.

Безусловно, что вид и форма поверхности скольжения, по которой выполняется уравнение предельного равновесия определяется структурными особенностями и напряженным состояншзм подрабатываемого массива. При наличии выраженной активной системы трещин возникает большая вероятность пояелэния призм сдвижения, приуроченных к активной системе. В работе совместно с Кутовым С.Н.рассмотрен еще не исследованный случай возникновения призм сдвижения трещиноватого массива пород висячего бока с учетом активного давления пород засыпки.

Проектирование действующих сил на направление активной системы трещин и нормаль к ней дает уравнение предельного равновесия следующего вида для очередной (t?) призмы сдвижения :

C-it+ (F-CQSpi+P-C03V}'igp±F-3lripi-P-3lTlV-t-lli'Q -coaQ = О. (1!)

В этой формуле Сир -сцепление и угол внутреннего трения по системе трещин; (3{- активное давление обрушенных пород на зависающую плоскость пород I- призмы сдвижения;? - реакция со стороны уже сдвинувшихся призм;Р - вес сдвигающейся призмы; V- угол наклона активной системы;С - угол давления пород засыпки; А-коэффи-циент, учитывающий влшшиз мощности пород засыпки, создающих активное давление.

После подставления в ур.(11) сил были найдены нижние глубины призм вторичных обрушений как положительные корни квадратного уравнения. Результаты расчетов свидетельствуют, что заполнение наработанного пространства пустыми породами оказывает существенное влияние на величины возникающих призм сдвижения трещиноватого массива пород висячего бока лишь при крутых и вертикальных углах падения рудного тела. Эти результаты подтверждают известный из практики инструментальных наблюдений вывод о том, что засыпка карьера породой лишь уменьшает сами величины деформаций, но не способствует появлению весьма крутых углов сдвижения.

Данные выполненных автором и другими исследователями (Кузьмин В.И.,Сазонов А.В.,Шадрин А.Г. я др.) поверхностных и подземных наблюдений проясняют общий вид сдвигающегося подрабатываемого объема скальных пород неслоистого типа. Поверхность сдвигающегося участка в любом вертикальном сечении с определенной степенью приближения можно описать уравнением логарифмических спиралей. Автором совместно с Рожковым В.И.была разработана программа в объемной постановке по отысканию таких параметров сдвигающегося монолита, ограниченного в сечении уравнениями логарифмических спиралей,которые удовлетворяют уравнению предельного равновесия. Анализ просчитанных модельных задач выявил интересную особенность: при малом сцеплении при заданной глубине разработки сползающий объем пород получается вытянутым по простиранию и,наоборот, при высоком сцеплении сползающий объем является вытянутым по глубине. В свете полученных результатов становится ясным, что размеры полной подработки определяются свойствами пород и, как получено расчетами,при скальных породах они могут изменяться от 0.4Н„_ до 1.4Н„_. Становится очевидным и тот факт, что сдвиг пород'происходит не обязательно от нижней границы отработки и в этом случае возникает ошибка в опредэлешш угла разрывов.

твердили применимость модели и программы для прогноза сползающих форм и объемов участком месторождений неслоистого типа.

Опыт наблюдений за сохранностью сооружений, расположенных в непосредственной близости от подрабатываемых погашенных бортов карьеров заставил сделать вывод о том, что построенные традицион ными способами предохранительные целики не обеспечивают их сохранность, т.к. сдвижение пород в данных условиях происходит в форме сдвига по каким-либо поверхностям скольжения. Очевидно,что и предохранительные целики в данных условиях следует строить с учетом этих особенностей деформирования. В работе был предложен способ построения целика под объекты, расположенные вблизи подрабатываемых бортов. Суть его заключается в том, что из нескольких отыскивается одна круглоцилиндрическая поверхность скольжения, имеющая коэффициент запаса устойчивости, гарантирующий сохранность объекта (с учетом погрешности определения прочностных свойств). Искомая поверхность, как и остальные, входит в трещину вертикального отрыва под углом (%/4-p/Z). Точка Ехода найденной поверхности в рудное тело на соответствующем разрезе принимается за границу предохранительного целика. Начало поверхностей определяется границей охранной бермы.

Для выполнения соответствующих расчетов была разработана программа для ПК фирмы IBM, которая была проверена для условий разработки Тишинского рудника, где наблюдения зафиксировали наличие трех сформировавшихся поверхностей скольжения в породах висячего бока. Просчитанные кривые в значительной степени идентичны фактическим. Просчитанные модельные задачи показывают значительное влияние прочностных свойств пород на критические глубины подработки объктов, расположенных на поверхности висячего и лежачего боков залежей.

Известно, что при наличии в массиве тектонических нарушений или каких-то ослабленных вытянутых зон, пики деформаций приурочены к этим аномальным зонам. В мировой и отечественной практике существуют способы управления деформированием подрабатываемого массива при помощи глубоких щелей, создаваемых с поверхности. Применительно к охране сооружений, расположенных вблизи подрабатываемых бортов карьеров рудных месторовдений автором был пре-

ложен способ управления процессом сдвижения при помощи глубокой щели, создаваемой на определенном при помощи маркшейдерских наблюдений расстоянии от объекта пар лельно зоне крайних трещин. Созданная щельпри зтом выполняет две функции - ликвидирует возникновение в нежелательном месте трещины вертикального отрыва и реализует на себя процесс сдвижения подрабатываемых пород. Глубина щели определяется специальными расчетами.

В работе совместно с Якуниной Е.М. было выполнено математическое моделирование предложенного способа применительно к охране стволов шахт ЖЗ и Вентиляционная ЛПК, расположенных в подрабатываемом борту Андреевского карьера. Методом динамического программирования путем решения уравнения предельного равновесия вида

Г Р(о ,а ,ч )й! - &Г Ф(о ,а ,т )б1 = О,

х у' XV ■> х' у' ху'

(12)

где ах'ау'хху~ полученные МКЭ напряжения в массиве; 1(ах,а >, Ф(ог,с ,1: )- функции соответственно удерживающих и сдвигающих сил, действукщих на линии скольжения; ь-козф$ициент запаса устойчивости, отыскивалось положение наиболее напряженной поверхности скольжения при наличии и отсутствии щели Результаты (рис.5) свидетельствуют о том, что при создании в прибортовом массиве щели глубиной 30-50м поверхности скольжения при отработке до Югор.выходят на щель, а при отработке до Пгор щель такой глубины уже не выполняет своих функций. ш,ел 6

обрушенный

массив отработанные

участки участки, где проектируется отработка

1Ь/5/ ЯиЛецт.'

(цА

Га р. 10

Тс&Ц

>

^^ Рраняц/) доедох/}. це-м/ся

Рис.5. Положение поверхностей скольжения в массиве пород Андреевского карьера при наличии(-*—)и отсутствии^-1>— )щели.

Рассмотренные четыре задачи,естественно,не исчерпывают все многообразие задач предельного равновесия подрабатываемых пород рудных месторождений.Однако все они имеют практическое значение.

VI. Некоторые примеры практического применения результатов исследований.

Разработанные теоретические и методические основы оценки и расчета характера и параметров процесса деформирования подрабатываемых скальных массивов рудных месторождений позволили решить ряд практических задач, связанных с охраной сооружений и объектов от подработки на рудниках Восточного Казахстана. Основные научные положения и результаты исследований нашли отражение в технических решениях и проектах при разработке Рид-дер-Сокольного,Тишинского,Зыряновского,Греховского месторояздений.

На основе выполненных инструментальных наблюдений и анализа гидрогеологической обстановки при отработке запасов Второй гого--западной залежи Раддер-Сокольного месторождения был построен новый предохранительный целик под р.Быструха и водонапорные горизонты. В результате этого в отработку системами с обрушением вмещающих пород вовлекается дополнительно 732.5тыс.тонн балансовых запасов и 223тыс.тонн забалансовых руд.

На осноеэ выполненых наблюдений и разработанных методических основ построения предохранительных целиков в условиях влияния карьеров был перестроен предохранительный целик под стеолы шахт Лв и Вентиляционная, расположенных вблизи подрабатываемого борта Андреевского карьера ЛПК, в результате чего исключилась возможность подработки этих сооружений при добыче руды ниже восьмого горизонта. Однако анализ развития процесса сдвижения показал,что отработанные до начала исследований участки месторождения могут привести к подработке всего комплекса этих объектов. Чтобы исключить эту возможность, а также осуществить частичную расконсервацию запасов целика, был осуществлен предложенный автором способ управления деформированием подрабатываемого массива при помощи глубокой вертикальной щели. Для создания щели была пройдена специальная штольня на глубине 20-25м от поверхности. Щэль была создана путем бурения через 1м в кровле и почве вертикальных скважин и последующего их взрывания. Общая глубина ¡дели

составила 35-40м, затраты на ее создание 243 тыс.руб.(1990г.)

Благодаря созданной щели не только обеспечивается сохранность сооружений, но и вовлекаются' в отработку раннее подготовленные к выемке, но законсервированные 640 тыс.тонн балансовых запасов. Начало их добычи запланировано на 1992год. Процесс деформирования контролируется поверхностными и подземными наблюдательными станциями..

На Тишинском месторождении в зоне подработки в настоящее время эксплуатируются стволы и околоствольные сооружения шахт Вентиляционная и Ульбинская.насосная и элентроподстанция, расположенные в выработках шестого горизонта. За развитием деформаций в районе этих объектов ведутся инструментальные наблюдения. На основе разработанной модели среды с дилатансией по программе "PELS" выполнен прогноз ожидаемых сдвижений массива л поверхности при от-

ГО

работке до 10 гор.,выданы рекомендации по сохранности объектов.

Актуальной проблемой для Тишинского рудника является сохранность и месторасположение отдельных полевых выработок, попадающих в зону влияния очистных работ и испытывающих пучение почвы и боков. На основе разработанного в Гл.III анализа развития трещин в подрабатываемых слоистых массивах были предложены мероприятия по предотвращению этих нежелательных явлений и расположению вновь проходимых выработок.

На основе инструментальных наблюдений был выполнен анализ и прогноз развития процесса сдвижения поверхности при отработке запасов Заводской залежи Зыряновского месторождения и выдано заключение о сохранности подрабатываемого жилого массива. Для центральной части месторождения рассмотрены вопросы добычи руды системами с обрушением вблизи оползней, расположенных на поверхности подрабатываемых северо-западных и юго-восточных бортов Зыряновского карьера. На основе разработанных в главе И методов был сделан вывод о том, что добыча руда под дном карьера до установленных границ не повлияет на состояние оползней. Внедрение разработанных рекомендаций позволяет вовлечь в отработку свыше Iмлн.тонн балансовых запасов. На основе разработанной модели среды с дилатансией выполнен прогноз сдвижений поверхности в районе ответственных сооружений, расположенных вблизи северо-западного борта. В целом для Зыряновского и Греховского

месторождений в 1992г. разработаны Правила охраны сооружений и объектов от лодработки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе разработаны научные основы решения крупной научной проблемы раскрытия механизма и прогноза параметров процесса сдвижения скальных массивов при разработке рудных месторождений, имеющей важное народнохозяйственное значение в связи с охраной объектов на поверхности, расконсервацией запасов из целиков, эффективностью разработки глубоких горизонтов месторождений и безопасностью работ.

Наиболее существенные научные и практические результаты работы заключаются в следующем.

1. Механизм деформирования подрабатываемых скальных массивов и земной поверхности на месторождениях или участках месторождений неслоистого типа имеет существенное отличие от механизма деформирования подрабатываемых слоистых и трещиноватых массивов. В первом случае наблюдается образование трещины вертикального отрыва, последующий сдвиг заколовшегося участка и упругое деформирование основного массива. Такой механизм деформирования можно описать в рамках жесткопластической модели сплошной среды. Во втором случае наблюдается интенсивное развитие трещин и расслоений, образование магистральных трещин и приуроченных к ним поверхностей сдвижения. Для описания такого механизма процесса сдвижения требуется разработка специальных моделей механики скальных пород, учитывающих их дилагансию.

2. Охрана сооружений и объектов, расположенных вблизи подрабатываемых бортов карьеров должна выполнятся не с использованием традиционных угловых параметров сдвижения, а на основе учета закономерностей возникновения деформаций и поверхностей скольжения б прибортовой зоне. В работе разработаны основные принципы и метода охраны сооружений для данных случаев, разработана программа для ПК фирмы IBM, отыскивающая поверхность скольжения, с учетом которой следует строить предохранительный целик.

3. Установлено инструментальными наблюдениями и теоретически рассмотрено развитие одиночных трещин и расслоений в начальной стадии процесса сдвижения. Развитие одиночных микротрещин носит устойчивый характер и может приводить к локальным периодическим

смещениям пород в сторону нетронутого очистными работами массива. Это явление наблюдается при значительных промежутках времени между массовыми взрывами. Математически установлены условия устойчивого и неустойчивого развития трещин между слоями в подрабатываемых слоистых обнажениях, определяющие статический и динамический характер деформирования обнажений. Развитие магистральных трещин б массиве приурочено к межслоевому пространству и тоже может носить как устойчивый, так и неустойчивый характер. Выполнение в данной области исследования полнее раскрывают такие явления как пучение слоистых почв, деформирование слоистых откосов, стреляние пород, развитие магистральных трещин.

4. Разработаны принципы учета деглатансии скального трещиноватого массива для целей прогноза сдвижений подрабатываемых пород, разработана аналитическая модель деформирования трещиноватых пород, на ее основе разработан алгоритм и программа расчета вязкопластических смещений. По разработанной программе были выполнены расчеты смещений модельного откоса в допредельной стадии деформирования для различных систем трещин а также расчеты сдвижений отдельных участков Абаканского и Северс-Карвбаиского месторождений. Анализ расчетов выявил ряд важных научных и практических результатов, касающихся зависимости векторов смещений от геометрии отработки, характеристик трещин, их ориентации, физико-механических свойств массивов. На основе выполненных разработок были предрасчитаны величины сдвижэ отдельных участков Тишинского и Зыряновского месторождений.

5. Основываясь на выявленных особенностях деформированного состояния массивов неслоистого строения разработаны методы и программы на ЭВМ решения различных задач, связанных с определением призм сдвижения изотропных и имеющих активную систему трещин пород. Установлено, что заполнение выработанного пространства пустыми породами оказывает существенное влияние на величины призм сдвигания лишь при весьма крутых углах падения залежей. Разработана программа, позволяющая в объемной постановке определять размеры сдвигающегося единым блоком подработанного массива. Установлен факт существенного влияния сцепления на параметры сдвигающегося монолита.

6. Разработан метод управления деформированием подрабатываемого

массива горных пород при помощи создания глубокой щвли, основанный на реализации процесса сдвига на созданную щель, выполнено его математическое моделирование. Метод внедрен на Лениногорском руднике. Внедрение этого метода в процессе проектирования и эксплуатации рудников позволит не только повысить надежность охраны объектов от подработки, но и расконсервировать часть запасов руд из целиков, располагать вертикальные шахтные стволы ближе к рудным телам.

7. Результаты исследований предназначаются для использования на всех подземных и открытых рудодобываюцих предприятиях страны. Наибольший эффект внедрение разработанных программ даст при прогнозе механизма и величин сдвижений горных пород, определении призм сдвижения подрабатываемых массивов, охране объектов от подработки, решении вопросов управления деформированием пород.

8. Основные результаты работы внедрены при проектировании и эксплуатации рудников Лениногорского полиметаллического и Зыряновс-кого свинцового комбинатов а также в научно-исследовательских и проектных институтахгУНИПРОЩЦЬ, ВНШЦВЕТмет, КАЗГМПРОЦВЕГмет. Помимо увеличения надежности охраны сооружений и объектов от подработки внедрение разработанных рекомендаций позволило расконсервировать из предохранительных целиков около 4млн.тонн руда. Более ранние исследования автора внедрены при проектировании и эксплуатации Гаштагольского,Шерэгешского и Абаканского рудников.

Основные положения диссертации .опубликованы в следующих работах:

1. .A.c. 6I759S СССР, МКИ E2IC 39/00. Сквакиншй репер / Квочин В.А., Кашников .Ю.А., Румянцев В.А. и др. Опубл. 30.07.78. - Бил. N28.

2. Кашников Ю.А. Определение параметров процесса сдвижения земной поверхности при разработке сближенных крутопадаюиих рудных тел.- В кн.: Вопросы рационализации маркш. службы на горных предприятиях. - Свердловск.- I9SI. - с.28-34.

3. Кашников Ю.А., Квочин В.А., Овчаренко В.Ф. Исследование влияния формы и размеров отработанных рудных тел на параметры процесса сдвижения земной поверхности // ФТПРПК.-1982. - КЗ.-с.67-70.

4. i.e. III3542 СССР, MKIÍ E2IC 39/00. Скважинннй репер / Божков А.М., Кашников Ю.А., Авзалов И.А. Опубл. 15.09.84.-Бюлл. N 34-,

5. A.c. II6I703 СССР, МКИ E2IC 39/00. Способ определения сдвижений массива горных пород / Туринцэв Ю.И. .Наляшков Ю.А. Опубл. 15.06.85. - Вит. N 22.

6. Кашников Ю.А. Углы сдвижения при разработке мощных крутопадаюцих рудных тел на больших глубинах // Изв.вузов. Горный журнал. - 1984. - N12. - С. 23-25.

7. Кашников В.А. О возможности применения дифференциального уравнения сдвижения горных пород для прогноза сдвижений при разработке мощных крутоладаодих рудных тел. Тез. докл. ВСНТК "Научно-техн. проблемы повышения эфф. работ и совершенствование марки, службы на горных предприятиях страны." -

Свердловск, 1984. - С.П7-П8.

8. Кашников Ю.А. Определение углов сдвижения в торцах месторождений. Тез. докл. ВСНТК "Научно-техн.проблемы повышения эфф. работ и совершенствования маркш.службы на горных предприятиях страны " - Свердловск, 1984. - с.118-119.

9. КашникоЕ Ю.А. Деформирование породного массива в окрестности отрабатываемого рудного тела // Изв.вузов. Горный журнал.- 1986. - К7. - С.48-51.

10. Кашников Ю.А. О закономерностях сдвижения массива пород при разработке мощных круголадавдих рудных тел. - В сб.: Совершенствование методов и средств производства марки. -геод. работ. Л.: ЛГИ. - 1987. - с.16-19.

11. Кашников Ю.А., Рожков В.П., Кутовой С.Н. Проблемы, связанные со сдвижением горных пород на месторождениях цветных металлов горнорудного Алтая и пути их решения. - Тезисы ВСНТК "проблемы разработки месторождений полезных ископаемых в условиях высокогорья". Фрунзе, 1987.

12. Кашников Ю.А. Сдвижение горных пород при подземной разработке мощных рудных залежей // Труды VIII Муждународ-ного конгресса по маркшейдерскому делу. TIO. Ленинград. -

1988. - с.142-148.

13. Кашников Ю.А.,Кутовой С.Н. Сокращение размеров предохранительного целика под водные объекты // Изв.вузов. Горный журнал. - 1Э88. - N5. - с.36-38.

14. Кашников Ю.А. Распространение трещин отрыва е начальной стадии процесса сдамкеяия горных пород // Изв.вузов. Горный журнал.- 1989. - Мб. - с.32-36.

15. Кашников Ю.А. Аналитическая модель деформирования слоистого откоса // Изв.вузов. Горный журнал.-1ЭЭ0.-№.-с.45-50.

16. Кашников Ю.А. Механизм деформирования слоистой лочеы подземных выработок // Изв.вузов. Горный журнал. -1990. -N11.-с. 34-38.

17. Кашников Ю.А. Сдвижение скальных пород с учетом угла дилатансии /У Изв.вузов. Горный журнал.-1989.-N4.-с.43-47.

18. Кашников Ю.А., Якушина Е.М. О смещениях горных пород, вызванных подвиганием микрогрещины в условиях сжатия // Изв. вузов.Горный журнал. - 1990. - N1. - с.38-41.

19. Кашников Ю.А., Куговой С.Н. О параметрах призм сдвижения трещиноватого массива пород висячего бока рудных месторовдений//Изв.вузов. Горный журнал.-1989.-N10.-с.39-42.

20. Кашников Ю.А. Дутовой С.Н.,Якушина Е.М.,Рожков В.И. Обеспечение сохранности объектов, расположенных вблизи бортов карьеров, подрабатываемых подземными работами. Тезисы всес. семинара "Проблемы горного давления на больших глубинах при ведении подземных и открытых работ".-Кривой Рог,1990.-с.40.

21. Кашников Ю.А., Кутовой С.Н. О построении предохранительных целиков под поверхностные объекты в условиях влияния карьера // Шв.вузов. Горный журнал.-1991.-N2.с.50-52.

22. Кашников Ю.А., Рожков В.И. Определение сдвигающихся участков подрабатываемых массивов рудных месторождений. // Изв.вузов. Горный журнал. - 1991. - N7. - с.39-43.

23. Кашников Ю.А., Якушина Е.М. Математическое моделирование управления деформированием подрабатываемого массива // Мзв.вузов. Горный журнал. - 1989. - N11. - с.22-25.

24. Кашников Ю.А., Якушина Е.М. Деформированное состояние подрабатываемых горных склонов - Труда X ВСКГК по механике

горных пород. Фрунзе, 1989.

25. Кашшков Ю.А., Якушина Е.М., Ашихмин С.Г. Деформирование скального массива по системам трещин. // Изв.вузов. Горный журнал. - 1ЭЭ2. - ГО. - с.75-80.

26. A.c. I627701 СССР, МКИ Е2ГД 13/02. Способ защиты подрабатываемых сооружений / Каиников Ю.А., Якушина Е.М., КутоЕой С.Н., Царев С.С. Олубл. 15.02.9Г. - Бюл. N6.

Сдано в печать 2.II.92. Формат 60x84/16. Обьеи 2,25 п.л. Тираж 100. Заказ 1532.

Ротапринт Пермского политехнического института